关于图像采集器件的原理和供电方法的分析和介绍

一个摄像头能小到什么程度呢？看看咱们手里的手机就知道了。有的手机不满足于前后双摄，三摄就成了它们的标准配置，而最新的华为 P20 Pro 则为四摄，仅后摄就有三个，分别对应彩色、黑白和长焦，AI 功能也置身其中，真的是让人目瞪口呆，难怪传统的相机厂商无法招架了，不是他们做不好，实在是对手太强大，而且兼具十八般武艺，吃专业饭的太难了。

虽然专业饭难吃，但我们还是一心一意搞芯片，因为只有芯片搞好了，智能手机这样高度集成的东西才会出现，而且变得越来越强。

我最早接触的摄像头都是大块头，用于闭路电视（CCTV）监控系统，制造商一般都是日本的，那时还是上个世纪的九十年代。摄像头采用 CCD 传感器，SONY 是这个领域的专家。其实只要是用到 CCD，基本上到现在也离不开 SONY，他们实在是太强了。我记得家乡有句土话叫“提劲打把宣飞机”，音是这个音，但本身的字可能不是这几个，像“宣飞机”可能就是“掀飞机”的意思，能把沉重的飞机推着走，总的意思就是做这件事很难，但提出来的口号很高、很硬气。如果谁家公司说自己的 CCD 技术比 SONY 更强，那就基本上属于“提劲打把宣飞机”了，直到现在也是，可惜的是 SONY 已于 2017 年宣布停产 CCD 传感器了。CCD 是电荷耦合器件的意思，是摄像头里的图像采集器件所用的技术，光照在光电二极管上使其产生电流（生成电荷），用电容对此电流积分以后累积起了电荷，再用一系列的电压时序使这些电荷按顺序移动（移动电荷，方法如下图所示，是动图，慢慢看）并在一个地方输出放大（相当于测量电荷）就成了视频信号（可以插入一定的同步信息），如果接入 A/D 转换器就可以形成数字化的视频信息。

给 CCD 器件供电需要有正、负两种电压，我在进入立锜初期遇到这种应用时都是以 Boost 转换器外加电荷泵电路或以变压器予以解决，后来在专用的相机用 PMIC（集成化的电源管理器件）中就变成了 Boost + Inverter 的解决方案，其中的 Inverter 实际上就是一个专用的负压发生器。集成这种电路的 IC 都比较复杂，规格书里的简化原理图可能就是下图这个样子，目的是为了看起来比较简单。

涉及到具体的电路时，正负压生成电路部分可能是这样的（详见 RT5014 的规格书）：

在这个电路中，由于电源品质会直接影响影像品质，CCD 需要的 +13V 电压是先用 Boost 生成 13.3V 电压以后再用线性稳压器做了二次稳压的。-7V 则使用 Inverter 生成，其电路原理和 Boost 类似，但电路拓扑不一样，它在工作的时候是先用电源给电感充电（上图中 LX6 内部有功率开关连接到电池正极），然后通过续流二极管 D1 将输出电容 C20 里的电荷抽走（等于给电容反向充电，充电的能量是前期充入电感的），CCD-7V 这个节点的电压就降到低于 0V 了。

在图像采集市场上战胜 CCD 的是 CMOS 技术，它的每一个像素都含有光电检测器和信号放大器（如上图），没有类似 CCD 的电荷储存和移动过程，速度快了，信号的品质却下降了，但在需要高速处理的高像素应用中具有优势，而且工艺简单，成本低廉，所以应用得越来越多，而且也实现了不断的进化，品质越来越好，并且最终将 CCD 赶出了市场。CMOS 图像传感器需要的工作电压很低，而且都是正电压，电压值还很低，给它供电就简单多了。在诺基亚独占鳌头的功能机时代开始，立锜的双输出 LDO RT9011 就独占鳌头，大量出货给手机厂商，用途就是给摄像头模组供电。

CMOS 图像传感器在影像市场上的成功有一个很重要的因素是竞争，有很多厂商可以提供好用的产品。由于采用 CMOS 技术，它的集成化程度也很高，所有的传感元件、处理电路都可以被集成在单一的芯片上，所以对缩小体积也有极大的好处，这大概就是我们今天随时随地都能照相、摄像的原因，这在过去几乎是难以想象的事。

照相、摄像设备的大规模普及深深地影响着我们的生活，现在连付钱的时候也离不开它了，甚至还有段子说将来扫墓也是扫二维码，这已经是在将正经的事情庸俗化了，但可以从中看出新技术所带来的影响到底有多大，人们的脑洞也因之而大开。

这种技术也将影响我们将来开车的过程，ADAS（先进辅助驾驶系统）正在快速进入我们的车辆，使用 CMOS 传感器的摄像头将帮助计算机系统看清车辆周围的情况并最终帮助计算机系统做出正确的路况判断，给驾驶员或是自动驾驶系统提供更加准确的提示或指令，使车辆的行驶过程更安全，让人民生活更幸福。

摄像系统要进入车辆，必然会涉及到与车辆电源系统的匹配问题。大部分车辆的电池系统均为 12V 蓄电池，要给图像传感器和信号处理单元供电就需要将十几 V 的电压转换为它们所需要的低电压，而且要按照系统所需要的时序为各部分电路供电，RT2070 的设计思想就据此而生，下图是它的规格书给出来的一个典型应用电路图：

不熟悉的人要看明白它还是不容易的，下面用简图来表达一下：

这个电路的特点是用一个高压 Buck 承载全部的外来高压，转换为低压以后再任由次级电路处理，分别满足系统内各部分的需要。由于 SEQ 端外接不同的电阻就可以确定不同的上电、下电时序，启动以后还可以通过 I2C 接口发送调整指令，因而可以适应各种不同方案。实际上，这种电路结构是具有普适性的，很多系统基本的电源需求都是这样，所以 RT2070 不仅仅可用于车载摄像头，其他场合的应用也可以借用。

RT2070 是针对车载应用推出的器件，因而是通过了 AEC-Q100 认证的，认证级别为 Grade 1，这意味着它可以在 -40℃ ~ +125℃ 的环境温度下工作，远远超过普通工业应用的温度范围，将其用于工业应用是绝对没有问题的。点击文末的阅读原文，可以查阅 RT2070 的详细信息。